流体计量控制仪的设计

1、 目 录摘 要I关键词IAbstractIIKey wordsII1 前言111 本课题的来源及研究目的112 流量计的概述及分类22 传感器的原理与传感器结构设计521 涡轮传感器的基本原理522 涡轮流量传感器的结构63 流体计量控制器的设计831 流体计量控制仪的功能要求832 系统硬件的总体设计9321 硬件电路设计原则9322 硬件系统结构1033 各模块硬件的设计11331 AT89C51单片机控制部分11332 数据存储功能12333 传感器信号输入模块14334 液晶显示模块14335 面板按键模块1734 系统软件的总体设计184 测试方法和测试结果:205 结论20致 谢2

2、2附录一：2322附录二：23 流体计量控制仪的设计 摘 要 本文采用单片机开发的流体计量仪，具有计量精度高，功耗低、稳定可靠、成本低等特点。文中介绍了一个智能流体计量仪的设计思路，简单介绍了其流量计量的原理、特点和发展现状，并结合当前研究和应用中的问题指出了流量计量仪的发展趋势。主要介绍了智能流体计量仪的原理组成和其软件编程方法。 文中对涡轮流量计的工作特性、使用特点等进行了深入研究分析，设计了智能型涡轮流量计的总体方案，以及流量显示仪软硬件部分的详细设计。 本文所研制的智能流量显示仪，能切换显示瞬时流量、累计流量和分段流量，能通过按键设置仪表系数。本流量显示仪采用汽车电源供电，方便可靠。同

3、时，流量显示仪在硬件设计方面采用了低功耗的AT89C51单片机，软件编程中考虑到了低功耗、可靠性的要求，采用了结构化的模块设计方法。本文的智能涡轮流量计系统具有功耗低、抗干扰能力强、精度高、重量轻、工作可靠、价格便宜等优点。 关键词 涡轮流量计；流量显示仪；单片机 The Design of Fluid Measurement Control Instrument Abstract The fluid used to develop single-chip metering device, with high measurement accuracy, low power consumptio

4、n, stable and reliable, and low cost. In this paper, an intelligent instrument for measuring fluid design, a brief introduction of the principle of flow measurement, characteristics and development of the status quo, combined with current research and applications out of the question of the developm

5、ent trend of meter flow-meter. Smart introduces the principles of fluid Meter composition and its method of software programming. At last, this paper chooses turbine flowmeter to be the kemel of the study. Deep studies about the characteristics of turbine flowmeter have been carried out. In this pap

6、er, the sensor part of the turbine flowmeter is designed and the intelligent flow measurement display meter is an important part in this research. The intelligent flow measurement display meter can switch to disaplay cumulative flux, the instantaneous flux and some distance flux of volume. the param

7、eter of the turbine flowmeter can be changed by the button on the panel . At89C51 is used in the instrument; is has a good capability to reduce the work of circuit design. The soft ware of the instrument is abortive written to make the instrument working on high efficiency. The intelligent turbine f

8、lowmeter measurement system has the advantages of low power, high precision, light, long time to use, low price etc. Key words turbine flowmeter; flow measurement display meter ; microcontroller1 前言11 本课题的来源及研究目的 石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量

9、，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义。目前国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。除此以外, 为了使高粘度的石油得到开采，就得在开采过程中直接加入降粘剂，如果加少了，石油抽不上来，加多了又造成经济浪费，由此引出了这个恒流量的控制系统1。 综上所述，无论是在石油的开采过程中注入降粘剂，还是在石油的计量及运输过程中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。因此，本课题就是针对这一具体实际要求，通过对当前一些相关领域的分析

10、和研究，设计出了一种基于AT89C51单片机的控制系统。本系统的研究对象就是液体如石油、水等的流量，通过对流量的检测，完成对流量的控制。流量有瞬时流量和累积流量两种单位。瞬时流量指单位时间内通过管道横截面的流体的数量；累积流量指一段时间内的总流量。瞬时流量可以用体积流量、质量流量和重量流量三种方法来表示，而前两种表示方法最为常用。除了上述瞬时流量之外，生产过程中有时还需要测量某段时间之内流体通过的累积总量，称为累积流量，也常被称为总流量。质量总量以M表示，体积流量以Qv表示。流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，流量的测量与控制是实现工业

11、生产过程自动化的一项重要任务。 由于石油是重要的能源，无论从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。12 流量计的概述及分类流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一，流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标，当然流量也是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。所以，流量的测量与控制是

12、实现工业生产过程自动化的一项重要任务。 首先，精度高的要求是任何测量系统首先要达到的目标，没有达到一定的精度，所测量的数据就没有分析应用的价值，测量系统就失去了其测量的意义和可用性。 其次，低功耗要求是设计此流量测量系统的基本要求，所有的芯片及元器件的应用都要考虑到低功耗的要求。 再次，抗干扰性也是此流量测量系统所着重要求的。流量测量现场会有各种振动及电磁干扰，因此该仪表要具有抗振、抗干扰及坚固耐用性。 此外，测量系统的重量也是需要考虑的，较轻的重量对于安装拆卸比较有利。成本价格低廉对于该铡量系统的推广应用也很重要。下面在说明各种流量计的原理和使用特点的同时，将结合本设计方案的实际情况来选择合

13、适的流量计3,4。差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表，在整个流量测量领域，约占流量仪表总数的一半以上。容积式流量计又称定排流量计，在流量计中是精度最高的一类流量计。 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的流量计。 涡街流量计是流体振动流量计的一种，由传感器和转换器组成。涡街流量计的测量原理为：当把一个非线性阻流体垂直插入管道中，从阻流体两侧交替的产生有规则的漩涡，漩涡的发生频率与流体流量有确定的关系，可以通过检测漩涡频率得到流体流量。超声流量计是通过检测流体流动时对超声束的作用，以测量体积流量的仪表。超声流量计解决了大管径

14、、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。 插入式流量计是一类以结构形式划分的流量计，包括插入式涡轮、插入式涡街、插入式电磁、插入式均速管等。涡轮流量计是叶轮式流量计的主要品种，叶轮式流量计还有水表、风速计等。涡轮流量计是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表，适用于轻质成品油、石化产品等液体和空气、天然气等低粘度流体介质，可实现瞬时流量和累积流量的计量。涡轮流量计的测量原理简述如下：涡轮流量传感器主要由壳体、导向体、叶轮、轴与轴承和信号检出器组成，当被测流体流经管道时，冲击叶轮的叶片，对叶轮产生驱动力矩，使叶轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转，在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，叶轮的旋转

15、角速度与流体流量成正比，可以通过测量涡轮流量传感器的旋转角速度来测量流量。其优点，涡轮流量计的测量精度高，液体的相对测量误差可达到0.2到0.5；测量范围宽，适用于流量大幅度变化的场合；结构简单，安装使用方便，无滞流部分，如果发生故障，并不影响管道内液体的输送；涡轮流量计的输出是与流量成正比的脉冲信号，所以通过传输线路不会降低其精度，容易进行累计显示，便于远距离传送和流量显示仪的处理，抗干扰能力强。缺点主要是仪表的流量特性受流体物性的影响较大，影响了仪表测量精度。涡轮流量计的精度能达到本测量系统的要求，结构也相对简单，其工作的公称通径范围通常也十分宽广，适用于各种大小口径液体的管径的测量。由此

16、可知，涡轮流量计得各个方面基本满足了本系统得要求。所以，在该流量测量系统中选用涡轮流量计。2 传感器的原理与传感器结构设计21 涡轮传感器的基本原理涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，是涡轮传感器的重要特性参数。它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际

17、加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数也不完全一样，它通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮传感器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。涡轮流量传感器的实用流量方程，下面详细说明4,8。 实用流量方程： 式中 -提及流量 m3/s -流量计输出信号频率 Hz -流量计仪表系数 1/m3流量计的仪表系数与流量的关系曲线如图2.1所示。由图可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为其工作段的三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时

18、，仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。 图2.1 涡轮传感器的特性曲线22 涡轮流量传感器的结构涡轮流量传感器主要由壳体、导向体、叶轮、轴、轴承、信号检出器及压紧圈组成，同时还应配有与之相配合的前连接管和后连接管。具体各个部件的配合如图2.2所示4,5。 1-壳体，2-导向体，3-叶轮，4信号检出器放置处，5-轴与轴承6-压紧圈，7-前连接管，8-后连接管图2.2 涡轮内部结构图（1） 壳体壳体是传感器的主体部分，它起到承受被测液体的压力，固定安装检测部件，连接管道的作用。（2） 导向体在传感器进出口装有导向体，它对流体起导向整流以及

19、支承叶轮的作用。（3） 涡轮亦称叶轮，是传感器的检测部件，它由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片、和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。（4） 轴与轴承它支承叶轮旋转，需有足够的刚度，强度和硬度，耐磨性，耐腐性等。它决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。（5） 信号检出器常用变磁阻式，由永久磁铁、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。（6） 压紧圈为了固定导向体，应配有合适的压紧圈。（7） 前后连接管为了能更加准确地测

20、量液体的流量，壳体前后应该连接相当于管径10倍以上的前连接管和相当于5倍以上的后连接管。3 流体计量控制器的设计31 流体计量控制仪的功能要求要进行硬件及软件设计，首先要清楚流量显示仪所要实现的具体功能，并考虑到流量显示仪的性能要求，然后才能设计各个功能模块，再进一步选择合适的芯片、元器件及设备，进行具体电路的设计。在芯片、元器件的选型及具体硬件电路设计的同时。也要考虑软件编程的相应实现。该流量显示仪功能要求有：（1）显示功能现场显示累积体积流量、分段体积流量、瞬时体积流量。（2）存储功能存储各种流量数据，流量计系数。（3）面板按键功能流量显示仪面板上要具有选择显示内容的翻转按键以及分段流量清

21、零按键。调试阶段还应有可以设置和修改仪表系数的按键。（4）电源供电功能由于车载电源的电瓶规格的不同，需要根据不同的电源进行变化以满足流量显示仪所需的电压。此外，流量显示仪的高精度、低功耗、可靠性等性能要求也是进行软、硬件设计所必须考虑的重要因素。32 系统硬件的总体设计321 硬件电路设计原则本设计在硬件设计时的步骤及遵循的原则：首先，要选择最主要的芯片或元器件，在流量显示仪中就是对信号处理和运算的核心单片机芯片的选择。它决定着硬件整体方案的设计和其它芯片及元器件的选择。其次，分别设计各个外围硬件模块，选择典型电路，实现系统的模块化。设计外围硬件模块时，注意单片机资源的分配和应用，如单片机的管

22、脚分配、单片机内部集成模块的应用等。充分和合理利用单片机资源不但可以减少外围电路设计的工作量，而且可以提高整机的可靠性。最后，设计硬件结构时，要结合软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案发生相互影响时，考虑的原则是：功能尽可能由软件来实现，以简化硬件的结构。这样可以减小硬件的复杂性，所付出的代价是占用较长CPU运行时间。在所实现功能相同的情况下，都选择低功耗芯片、元器件及设备。可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计所必须考虑的，它包括芯片、元器件选择、滤波、印刷电路板布线、信道隔离等5。322 硬件系统结构根据流量显示仪的功能要求，硬件系统结构框图如图3.1所示。硬件系统包括单片机控制器模块、传感器信

23、号输入模块、液晶显示模块、面板按键模块及电源供电模块。 液晶显示单片机控制器 涡轮传感器按键EPROM信号整形放大 系统软件 图3.1 硬件系统结构图 单片机控制器模块主要由单片机构成，是信号处理、计算的核心，也是整个流量显示仪运行的核心部分。EPROM起到存储数据的功能，是单片机外接的一个存储组件。其它大部分模块都受单片机控制器模块的控制或通过单片机控制器而起作用。 传感器信号输入模块是指流量信号的整形输入。流量信号需要进行整形放大等处理，然后被单片机控制器的计数模块识别并计数。 液晶显示模块包括显示驱动电路及显示器。 面板按键模块由面板按键电路及按键组成。 系统软件包括单片机和液晶模块的初

24、始化模块，液晶模块的写数据/命令子模块，信号测量模块，流速和流量计算模块，数据存储模块，显示数据模块，数据显示模块以及定时中断服务模块等。33 各模块硬件的设计331 AT89C51单片机控制部分AT89C51单片机一共40个引脚，对于这些引脚具体的用途各不相同，AT89C51的电路连接如图3.3所示8。 VCC和GND引脚是电源和地。 RST是复位输入引脚，在系统需要重启时，该引脚动作。 XTAL1和XTAL 2引脚是振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端和振荡器反相放大器人输出端。它们外接晶振，此系统用的11.0592Hz晶振，这个晶振作用是为了便于计算时间。同时两引脚和地之间还要分别接

25、一个大小为30pF的电容。晶振的连接方法如图3.2所示。 图3.2 XTAL引脚的连接方法 INT引脚是外部中断引脚，在本系统中用到了一个INT1，此引脚用作流量传感器的信号输入，并通过此中断程序进行流量信号的累加，从而计算出相应的流量大小。T1引脚作用是定时/计数器外部输入，在本系统中用作定时器，此定时器定时为1s，通过计算1秒内的流量从而可以十分方便地计算出流量计的瞬时流速。 图3.3 AT89C51的电路连接P2.4-P2.7引脚用作外接键盘按钮，根据相应的按键的功能起不同的作用，具体功能在按键模块详细说明。P0.0-P0.7及P2.0-P2.2引脚用作和液晶显示器的连接，P1.0引脚和

26、P1.1引脚是和数据存储芯片CAT24WC04相连接的，功能是时钟信号和数据传输。332 数据存储功能 数据存储功能的实现由于对此单片机的数据我们要求能够进行长期保存，所以要选择能够长期存储而不易丢失数据的电子元器件。 CAT24WC04电子组件及其应用CAT24WC04是一个4K位串行CMOS E2PROM内部含有512个8位字节。CATAYST公司的先进CM0S技术实质上减少了器件的功耗。CAT24WC04有一个16字节页写缓冲器，该器件通过12c总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。各引脚分布如图3.4所示。 图3.4 CAT24WC0x存储此组件有如下一些特性：18到6O伏工作电压范

27、围；低功耗CMOS技术；写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态；页写缓冲器；自定时擦写周期；1000000编程擦除周期；可保存数据100年；8脚DIP、SOIC或TSSOP封装温度范围：商业级、工业级和汽车级。 333 传感器信号输入模块 流量计传感器的信号通过此处的电路到达单片机，由于从传感器过来的信号强度可能不足以产生足够高的电压，所以在此处加一个LM324电子组件放大输入信号。LM324是四运放集成电路，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共享外，四组运放相互独立。本系统中，可以设置好两极放大电路，适当得应用一级或二级放大，使得信号强度在测试时能够满足要求1。LM324在系

28、统中的具体硬件连接如图3.5所示。 图3.5传感器信号电路334 液晶显示模块本系统选择SMC1602液晶显示器作为显示屏10。工作电压在4.55.5v，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单，是仪器仪表、手持便携仪器、电话系列、家用电器、运动器材、医疗保健仪器、智能充电器等的晟佳通用型显示模块。特别适用于电池供电仪器：智能煤气表、水表、暖气表、有线电视表、税收监控器、通讯产品、遥控器等产品。接口应用方块图及引脚说明SMC1602的各个引脚排列如图3.6所示。 图3.6 1602与单片机连接图液晶显示模块指令说明，（1）初始化设置： 显示模块设置如表3.1所示表3.1指令码 功能00111000 设

29、置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口显示开/关及光标设置如表3.2所示表3.2指令码功能 00001DCB D=1 开显示 D=0 关显示 C=1 显示光标 C=0 不显示光标 B=1 光标闪烁 B=0光标不显示 000001NS N=1当读或写一个字符后地址指针加1，光标加1 N=0当读或写一个字符后地址指针减1，光标减1S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移 （N=0），以得到光标不移动而屏幕移动效果 S=0 当写一个字符，整屏显示不移动（2）数据控制控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过它们来访问内部全部80字节RAM。数据指针设置如表3.3所示表3.3 指令码 功能

30、 80H+地址码（0-27H，40H-67H） 设置数据地址指针 01H显示清屏 1数据指针清零 2所有显示清零 02H 显示回车 数据指针清零（3）初始化过程（复位过程）延时15ms 写指令38H（不检测忙信号） 延时5ms 写指令38H（不检测忙信号）延时5ms 写指令38H（不检测忙信号）写指令38H 显示模式设置 写指令08H 显示关闭 写指令01H 显示清屏 写指令06H 显示光标移动设置写指令0CH显示开及光标设置335 面板按键模块 根据流量显示仅酶功能要求，设置相应的按键。此按键按下时，可以改变寄存器的内容，从而通过相应的判断来实现相应的功能。流量显示仪的面板按键共有两个。由于

31、流量显示仪需要显示多个参数，所以需要有一个显示切换按键，按一次该键，液晶显示内容翻转一次，当连续按下此键，液晶显示内容将按预先设定的顺序循环显示不同的参数。另一个按键是分段清零键，当司机需要显示某一段的累积流量时，可按此键一次，将此前的分段累积流量清零。软件通过扫描的方法查询是哪个键按下，然后进行相应的处理。因为主程序循环一次的时间特别短，一般按键的时间在100毫秒以上，采用扫描的方法而不是中断的方法并不会影响反应速度，相反却增加了程序运行的可靠性，防止在用中断方法时过度频繁的按键可能造成的死机现象。该子程序仅几十行左右，不会占用太多的CPU运行时间。 图3.7 按键抖动时的电压信号通常的按键

32、所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电压信号小型如图3.7。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图3.7。抖动时问的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法。常用软件方法去

33、抖，即检测出按键闭合后执行一个延时程序，产生5ms10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。34 系统软件的总体设计 流量显示仪软件的设计遵循的原则： 软件设计采用自顶向下逐步细化的设计方法，分解一个复杂的问题为多个小模块； 软件的设计模块化，各个模块尽量保持独立，少使用条件转移语句，便于调试、移植和修改； 尽量避免中断嵌套的出现； 软件编程要尽可能的降低功耗7,8。软件主程序流程图如图3.8所示 开始初始化单元值存储数据参数显示键 移位程序参数显示键 设置键 移位键清零键累计流量累加存入串行存储器定时时间到 显示处理（根据流量值计算出液晶位，显示相应的数和小数点）N Y N 设置程序YY NYN NN 接受采集信号 Y 图3.8 主程序流程图4 测试方法和测试结果:（1）测试方法：将系统加电，再将水管接入涡轮传感器的入水口，然后再打开水龙头开始放水，记录液晶显示的脉冲数，液体体积，质量。（2）测量结果：测试数据如表4.1所示表4.1液体流量 2L 3L 4L 5L 6L脉冲数(Hz) 16.2 24.3 32.2 40.5 48.9 误差 +-1 +-1 +-1 +-1 +-1结果分析：由以上